魏延自赤壁之戰後劉備奪取荊州四郡時，弒其主長沙太守獻長沙城於劉備，諸葛亮看出其腦後生有反骨，久後必反，欲除之，劉備恐殺了魏延，降者人人自危，日後恢復漢室無人投靠，故此留之。諸葛亮知道只要有他和劉備在魏延就不敢反，從此魏延成為劉備部曲將領。

建安十七年，入川作戰時，魏延先跟隨劉備，大破劉璝、張任、泠苞、鄧賢、吳懿等將領率領的劉章軍。隨後，他和黃忠一起平定廣漢郡。建安十九年，魏延跟隨劉備攻克重鎮雒城。劉備的軍師龐統，曾率兵攻打雒城時，被劉璋的部將射殺。魏延還跟隨諸葛亮、張飛圍困成都。

魏延在入川作戰中，數次立功，被劉備提拔為牙門將軍。此時，魏延還是個名不見經傳的小將軍。

建安二十四年，劉備拿下漢中後，蜀漢眾人都以為，劉備會將鎮守漢中的重任，交給情同手足的張飛，但出乎大家預料的是，劉備將魏延提拔為了鎮遠將軍，讓他去做漢中太守，鎮守漢中。

張飛是個“萬人敵”名將，武藝超群，但他在劉備做徐州牧期間，曾因喝酒誤事，被呂布奪取了徐州。張飛愛喝酒，還喜歡打罵將士，容易出現堡壘從內部攻破的情況。他不是一個出眾的守城將領，相反魏延，智謀出眾，是個出色的防守大將，他鎮守漢中期間，透過在外圍險要關卡布置兵力，牽扯、分散敵軍的兵力，讓他們難以集中兵力攻打漢中，確保漢中萬無一失。

建興元年，劉禪登基後，將魏延封為了都亭侯。

建興五年，諸葛亮準備北伐時，將魏延提拔為了丞相司馬、涼州刺史。建興八年，曹魏派三路大軍進攻漢中，兩路大軍因遭遇暴雨而被迫撤軍，曹魏後將軍費瑤、雍州刺史郭淮選擇繼續進軍，征討漢中。魏延先率兵攻擊曹魏的涼州地區，他進軍到陽溪一帶時，遭遇了費瑤、郭淮，並擊敗兩人。建興九年，諸葛亮第四次北伐時，魏延率兵擊敗魏軍，逼迫司馬懿退兵保營。

魏延謀略也很出眾。諸葛亮第一次北伐時，他為諸葛亮獻了子午谷奇謀。建議諸葛亮給他5000精兵，讓他出子午谷襲取長安。諸葛亮覺得風險太大，沒有同意。魏延為此經常說諸葛亮膽怯，恨自己之才不能盡用。

建興十二年諸葛亮北伐途中病逝五丈原，魏延反相暴露想奪取軍權，多虧諸葛亮留遺計於楊義、馬岱除掉了魏延。